CN104472737B - 欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机 - Google Patents

Abstract

欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，包括机架、床身和用于实现茶叶连续振动理条的欠驱动多杆水平振动系统；用于为适应不同种类和采摘时期的茶叶在振动理条过程中振幅调节的振幅实时调节系统；用于控制茶叶振动理条时间锅槽垂直角度实时调节系统；用于改变茶叶在锅槽中运动轨迹，以提高茶叶理条质量的锅槽振动方向调节结构；用于提高能源利用率的炉锅一体化锅槽；用于茶叶流量控制的动态流量秤重系统；用于实现对理条机加热温度、振动频率和振幅的综合、智能调节的智能化控制系统。

Description

欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机

(一)技术领域

本发明涉及茶叶加工机械。

(二)背景技术

理条是茶叶初制加工过程中的一道工序，对茶叶品质及外形的形成与优劣起着至关重要的作用。茶叶理条在理条过程中发生一系列的物理与化学作用，不仅有利于茶叶的后续加工(水分减少与叶子变软等变化为后续的揉捻造型创造了条件)，还有助于形成茶叶的色、香、味品质特征，理条是茶叶初制加工过程中的一道关键工序。

我国茶叶品类繁多，既是产茶大国，也是消费大国。随着社会的发展与时代的进步，人民生活水平不断提高，对茶叶的数量与质量要求也在不断提高，传统的手工制茶已不能满足社会的需要，机械制茶不但减轻劳动力，提高茶叶产量，而且可以获得更高品质的茶叶，从而满足消费需求。目前，我国的茶叶生产机械化得到了快速的推广与普及，近些年来，更是出现了适用于大宗化商品茶加工的茶叶自动化加工生产线，大大促进了我国茶叶加工工业的发展，同时带来巨大的经济效益。连续式茶叶理条机，不仅能大大提高茶叶加工的生产效率，更能适应快速发展的茶叶自动化加工生产线需要，作为茶叶自动化生产线中的一个加工单元，实现茶叶加工的连续化与自动化。

根据茶叶理条的机理，目前锅槽式连续理条机一般是通过曲柄连杆机构驱动倾斜配置的锅槽产生往复运动，锅槽内茶叶在重力和惯性力的共同作用下，实现翻转和螺旋式前进运动。茶叶在运动过程中，一方面均匀受热，散失部分水分，挥发青草气味，软化组织，形成茶叶的色、香、味品质特征，同时由于茶叶沿着锅槽轨迹被摩擦与挤压，逐渐成条，达到理条成型的目的。通过实践与理论分析得知，曲柄连杆式茶叶理条机存在以下缺陷：

⑴锅槽在往复运动中，正反向运动速度相等，方向相反，对茶叶理条过程中的正向搓动与反向搓动效果相似，不利于茶叶的成条，或成条时间增长，造成理条效果差，效率低下；

⑵现有技术使得锅槽有上下运动的力，在锅槽上下运动约束不佳的情况下，锅槽上下跳动，导致茶叶在锅槽内跳动，茶叶与锅槽不能完全接触，造成传热效率低，同时，茶叶的运动加速不充分，不能完全翻转，理条不均匀，成条效果差；

⑶锅槽的振幅不可调，不能适用于不同的制茶工艺。例如，由于茶叶品种不同(大叶茶，小叶茶等)、茶叶生产季节不同(春茶主要是一、二叶茶，而夏秋茶主要是二、三叶茶，甚至是更多)，理条过程中锅槽的振动频率和振幅都应可调整；

⑷茶叶的流量不易控制，影响理条的质量，茶叶质量的稳定性不高；

⑸对于连续理条机而言，由于锅槽长度较长，现有技术采用同相位双曲柄连杆驱动，受制造成本约束，加工精度较低，导致设备运行稳定性和可靠性低下。同时在加热过程中容易出现锅槽纵向和横向的变形，对茶叶加工质量产生了较大的负面影响。

基于传统的曲柄连杆式锅槽理条机存在的若干缺点，一些改进型的理条机或理条机的驱动机构先后出现。

安徽农业大学的李兵等申请的发明专利“一种茶叶理条机传动机构”(公开号：CN102334566A，公开日：2012-02-01)，公开了一种茶叶理条机传动机构。该机构包括太阳齿轮、皮带轮、行星架、行星齿轮、导杆滑套、导杆和导杆支架等部件，太阳齿轮为带有内齿的齿圈结构且固定在理条机的机架上；行星齿轮为一外齿轮并与太阳齿轮的内齿啮合；行星架呈近似的“ㄣ”形，其轴向的中部穿过太阳齿轮的中心轴孔，轴头与皮带轮的中心轴孔通过键或销联接；导杆支架呈近似的“ㄣ”形，其轴向的中部焊接在行星齿轮的中央，上端延伸在行星齿轮的上端面上，与行星架轴向的下端铰链；导杆支架轴向的下端与导杆轴向的一端铰链，其铰链的中心与行星齿轮分度圆的圆周重合。实现了导杆的直线往复运动，减小了传动机构的振动及噪音。但该机构未解决锅槽振幅可调和茶叶理条过程中的正反向搓动等问题。

郎溪县鑫荣茶机制造有限公司的魏荣军申请的实用新型专利“茶叶理条机的偏心传动机构”(授权公告号：CN 203202154 U，授权公告日：2013.09.18)，公开了一种茶叶理条机的偏心传动机构。该机构通过带座轴承支撑的偏心轮轴，以及安装在偏心轮轴上的偏心轮，弯连杆等构成偏心驱动，并安装有偏心平衡带轮。该结构设计简单，传动稳定性好，弯连杆两端通过轴承和销轴连接，运动灵活，不易磨损。但该机构仍未解决锅槽振幅可调、茶叶理条过程中的正反向搓动等问题。

黄山市祁门县祁塔茶叶机械有限公司的周文炳等申请的发明专利“双杆连动式茶叶理条机”(公开号：CN 103749758 A，公开日：2014.04.30)，公开了一种一种双杆连动式茶叶理条机。该理条机采用左右对称的双曲柄连杆机构，驱动锅槽进行上下往复运动及平面左右摆动，从而进行茶叶理条。该机构虽然改进了锅槽的运动方式，但从本质上来讲，仍是曲柄连杆机构，仍未解决传统理条过程中的一些缺点。

(三)发明内容

为了克服目前的曲柄连杆式理条机在理条过程中存在的上述缺陷，本发明提供一种欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，包括机架、床身和用于实现茶叶连续振动理条的欠驱动多杆水平振动系统；用于为适应不同种类和采摘时期的茶叶在振动理条过程中振幅调节的振幅实时调节系统；用于控制茶叶振动理条时间锅槽垂直角度实时调节系统；用于改变茶叶在锅槽中运动轨迹，以提高茶叶理条质量的锅槽振动方向调节结构；用于提高能源利用率的炉锅一体化锅槽；用于茶叶流量控制的动态流量秤重系统；用于实现对理条机加热温度、振动频率和振幅的综合、智能调节的智能化控制系统。

所述的欠驱动多杆水平振动系统由曲轴、摇杆、T型中心滑块、T型移动滑块及炉锅一体化锅槽和圆柱滚动导轨副组成，其中曲轴垂直安装于床身上，其中一端与驱动电机通过带传动实现动力传递，另一端通过轴承与水平布置的摇杆一端端部连接；T型中心滑套套装在摇杆的中部，其垂直脚通过轴承固定于轴套内，轴套相对曲轴中心距可调节；T型移动滑块套装在摇杆的另一端，其垂直脚通过轴承与锅槽架连接；锅槽架的四角配有轴承座，与圆柱滚动导轨副连接。电机带动曲轴转动，曲轴带动摇杆在绕T型中心滑块垂直轴往复摆动，通过位于摇杆端部的T型移动滑块带动锅槽架沿圆柱滚动导轨副确定的运动方向往复振动，同时，有曲轴运动产生的摇杆在T型中心滑块和T型移动滑块内沿自身轴线轴向往复运动，不影响锅槽架的运动。

有别于现有茶叶理条机常采用的驱动装置，本发明驱动装置采用欠驱动多杆水平振动系统。现有技术下的茶叶理条机驱动装置多为曲柄连杆机构。电机先经过带轮降速后，再由曲柄连杆机构驱动多锅槽左右振动。这种结构的优点是装置简单且成本低，缺点是不同季节和茶类的茶叶理条加工，其茶叶本身的物理性能和加工要求不同，在茶叶加工过程中，虽然振动频率可以调节，但由于曲柄半径固定，振幅不能根据需要调节，使得现有技术下的茶叶理条机对茶叶加工的适应性欠佳；由于现有技术下的理条机所采用的曲柄连杆机构，锅槽在进行X-Y平面振动的同时，在Z方向上存在大小及方向与曲柄运动相位角相关的变动力，而运动导轨副在Z方向上没有进行约束，导致锅槽上下跳动，不利于理条的质量；又由于连续理条机锅槽长度较长，现有技术下的理条机结构上往往采用双曲柄连杆机构进行驱动，提高了加工和装配的精度和难度，导致设备的可靠性较差；由于为减轻振动质量，采用加热炉固定，锅槽振动的结构，使得锅槽之间无法进行可靠的密封，能源利用率较低，而欠驱动多杆水平振动系统可以很好的解决这些问题。

采用欠驱动多杆水平振动系统驱动的锅槽A其往复运动的位移方程(沿y轴方向)为：

式(1)中的L₀为曲轴偏心轴端中心线至曲轴中心线的距离；L₁为振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离；R为曲轴偏心距；ω为曲轴转速。

根据锅槽往复运动的位移方程求其导数，可以得到在采用欠驱动多杆水平振动系统驱动下的锅槽速度方程为：

根据式(2)可以得到锅槽沿y方向的运动速度曲线，如图2所示。

锅槽在往复运动过程中，正向运动的速度极值大于反向运动的速度极值，正向运动和反向运动速度的不一致导致当锅槽正方向运动时，锅槽内茶叶获得较大的正向旋转能量；当锅槽反方向运动时，锅槽内茶叶获得较小的反向旋转能量，与现有技术的曲柄连杆机构驱动的锅槽相比，在锅槽内的茶叶始终能保持较高的旋转速度，这有利于使茶叶搓的更为紧实，有利于茶叶理条质量的提高。

所述的振幅实时调节系统由轴承座、滑动导轨副、连杆和电动杠组成，其中T型中心滑块的垂直脚通过轴承与轴承座连接，轴承做安装在滑动导轨副上，滑动导轨副中的滑动板通过连杆与电动缸的动力输出端连接，滑动导轨副的固定板及电动缸固定端与机架连接。振幅实时调节系统沿摇杆方向距离曲轴轴线一定距离安装在床身上，电动缸通过连杆驱动装有T型中心滑块的滑动板沿滑动导轨副安装确定的方向运动，从而改变了T型中心滑块与曲轴的中心距，在曲轴偏心量不变的情况下，通过摇杆摆动角度的增减，改变了锅槽架沿圆柱滚动导轨运动的振幅。

进一步，由式(1)可以得到，有四种因素能够影响锅槽的振幅，分别为曲轴偏心轴端中心线至曲轴中心线的距离L₀、振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离L₁、曲轴偏心距R、曲轴转速ω。振幅实时调节系统就是通过调节振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离L₁来改变锅槽的振幅，L₁增大，锅槽振幅变大；反之，L₁减小，锅槽振幅变小。实现锅槽振幅的可调节化，一是为了满足发明所述的理条机在加工茶叶时，能够通过改变振幅，提高理条质量；二是为了满足发明所述的理条机实现对不同种类茶叶的加工。

所述的锅槽垂直角度实时调节系统由机架、床身、第一连接板，第二连接板，铰链轴、支座以及电动缸组成，其中第一连接板和第二连接板的一端，以及电动缸的动力输出端通过铰链轴滑动连接，第一连接板的另一端通过铰链轴和床身的一端连接，床身的另一端通过轴套和铰链轴与机架连接，第二连接板的另一端通过铰链轴和支座与机架连接，电动缸的另一端通过支座与床身连接，当电动缸运动时，第一连接板和第二连接板之间的夹角发生变化，由于第二连接板一端位置固定，第一连接板带动床身转动，从而实现安装在床身上的锅槽实现垂直角度的调节。

进一步，所述的锅槽垂直角度实时调节系统的目的是为了通过调节锅槽的垂直角度，来控制茶叶从下料、理条、出料全过程的总时间。茶叶在理条机中进行理条的时间一定程度上决定了茶叶的理条品质，理条总时间太短则茶叶还未完成搓的过程，加工的茶叶不够紧实，同时脱水不够，难以得到好的理条质量；理条时间太长则会使茶叶含水率过低，为后道工序的加工带来困难，同时产量降低。因此所述的锅槽垂直角度实时调节系统，能够控制茶叶理条的时间，使茶叶的理条效果和产量的最优化。

所述的锅槽振动方向调节结构为可根据做茶工艺需要确定炉锅一体化锅槽振动方向与茶叶流动方向的夹角，并据此安装欠驱动多杆水平振动系统中的圆周滚动导轨副，使茶叶运动轨迹截面大于锅槽横截面，在保证茶叶加工质量的前提下，可增加锅槽数，提高产量。

进一步，所述的锅槽振动方向调节结构的目的是茶叶的流动方向为锅槽方向，而茶叶的振动方向为锅槽的运动方向，现有技术由于结构的原因，茶叶流动方向和锅槽运动方向垂直，茶叶的运动截面宽度W_y等于锅槽宽度W，本发明的锅槽的运动方向由驱动多杆水平振动系统中的圆周滚动导轨副安装方向确定，振动运动可在与茶叶运动垂直方向±10°内实现，在锅槽水平处于状态时进行茶叶加工，茶叶呈螺旋状向前运动，振动方向与茶叶流动垂直方向偏角为α，茶叶的运动截面宽度W_y＝W/cosα>W，对于茶叶理条加工而言，茶叶运动截面宽度基本为定值，在相同设备宽度条件下，本发明可以在保证茶叶运动截面宽度前提下增加锅槽数，从而增加产量。

所述的炉锅一体化锅槽由通过轻量化设计的锅槽架、隔热层、电热管支架、电热管、锅槽、横梁等组成，其中锅槽架采用成型后的钢板焊接而成，锅槽由与锅槽架焊接连接的电热管支架支撑，安装在锅槽架中间，锅槽架上装有三根横梁，两端横梁上焊有第一销轴，中间横梁上焊有第二销轴，第一销轴和第二销轴分别插入锅槽顶部的防挂茶杆孔中，实现锅槽的安装定位，同时既可保证锅槽在加热过程中由于热胀冷缩引起的轴向位移，又可对锅槽在加热过程中横向变形进行约束；除锅槽外，锅槽架和锅槽之间的空间铺设有隔热层，电热管被固定在电热管支架中间，与锅槽底面及隔热层保持一定的距离，其中隔热层表面为镜面不锈钢板，中间为石棉板，底面为铝板，利用镜面不锈钢热反射的特点，将电热管背向锅槽部分的热能反射到锅槽上，利用不锈钢导热性能差和石棉板的隔热性能，减少热量的外泄，以提高能源的利用率；利用铝板重量轻，刚度好的特点，保证隔热层的刚度。

所述的动态流量秤重系统，用于茶叶理条过程中的流量控制。所述动态流量秤系统由匀叶装置和动态流量称组成。所述的动态流量秤重系统与茶叶理条机的智能化控制系统相连接，通过控制系统可以设定、调节理条过程中的茶叶实时流量，达到流量可调、流量精确稳定的目的，从而提高茶叶的生产质量。

所述的智能化控制系统，通过内置的智能控制模型，在茶叶流量波动时，对加热温度、振动频率和振幅进行实时调节，从而使茶叶生产质量达到稳定的目的。

进一步，一方面由于理条机难以用精确的数学模型来进行描述，因此不能采用传统的控制方法进行控制，另一方面，理条机的多种控制参数，如茶叶输入流量、理条机的振动频率、振幅以及加热的温度等，大多是非线性参数且相互耦合。在当前的茶叶生产中，由于茶叶在输送过程中容易形成堆积状，虽然有匀料装置和前置的动态流量称对流量进行控制，仍然难以达到精确定量，尤其是在连续生产线中，当茶叶流量发生波动时，也是根据操作人员的经验对各种参数进行调整。本专利采用模糊控制和人工神经网络相结合的模糊神经推理的思想，利用T-S模型，对理条机中的多种控制参数进行调整，从而达到良好的动态效果。

控制模型的输入为茶叶流量偏差Δq和当前加热温度T，其中：

Δq＝q_设-q (3)

式中Δq是茶叶流量偏差，q_设是设定流量，q是动态流量称返回的实际流量。

控制模型的输出为温度调整量ΔT、振动频率调整量Δf和振动幅度调整量Δa。

控制模型为：

(ΔT,Δf,Δa)＝fuzzynet(Δq,T) (4)

这是一个二输入三输出的控制模型。根据生产经验，输入变量(茶叶流量偏差Δq和当前加热温度T)的范围定义为[-5，5]，同时定义4个隶属度函数：负大NB([-5，-3])，负小NS([-2，-0])，正小PS([0，2])，正大PB([3，5])；输出变量(温度调整量ΔT、振动频率调整量Δf和振动幅度调整量Δa)的范围定义为[-10，10]，同时定义6个隶属度函数：负大NB([-10，-5])，负中NM([-6，-1.5])，负小NS([-3，-0])，正小PS([+0，3])，正中PM([1.5，6])，正大PB([5，10])。

推理规则如下：

If Δq_i＝A_j and T_i＝B_k

Then y_m1＝p_m1×Δq_i+q_m1×T_i+s_m1， (5)

y_m2＝p_m2×Δq_i+q_m2×T_i+s_m2，

y_m3＝p_m3×Δq_i+q_m3×T_i+s_m3，

式(5)中A_j、B_k(j＝1,2,3,4；k＝1,2,3,4；i＝1,2,3,4,5,6)分别是茶叶流量偏差Δ_q、当前加热温度T的一个模糊子集，而p_m、q_m、s_m为第m条规则的后项参数。y_m是第m条规则的输出。

解模糊算法采用加权平均法：

式(6)中，z是清晰值，u_c(z_i)是隶属度值z_i的模糊区间。

模型训练混合使用最小二乘预测和反向传播算法。

进一步，理条机的智能化控制系统设有通信接口，可作为茶叶自动化生产线的一个智能加工单元，接入茶叶自动化生产线的主控制系统，实现茶叶生产的全程连续化。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用了欠驱动多杆水平振动系统代替传统的曲柄连杆驱动机构，使加工过程中，茶叶的正向旋转能量大于反向旋转能量，有利于茶叶的理条质量提高。

2.本发明采用了振幅实时调节系统，可实现了振幅实时可调，提高了不同季节和不同茶类茶叶理条加工的适应性。

3.本发明采用了锅槽振动方向调节结构，在相同设备宽度，保证加工质量条件下，可增加锅槽数，提高产量。

4.本发明采用了炉锅一体化锅槽，减小了锅槽变形对茶叶加工的影响，提高了能源的利用率。

5.本发明采用了前置动态流量称，可实现茶叶连续理条过程中的流量可调、流量精确稳定的目的，从而提高茶叶的生产质量。

6.本发明采用了智能化控制系统，通过内置的智能控制模型，对加热温度、振动频率和振幅进行实时调节，以实现茶叶连续过程的智能化控制，同时，理条机的智能化控制系统可作为茶叶自动化生产线的一个加工单元，接入茶叶自动化生产线的主控制系统，实现茶叶生产的全程连续化。

(四)附图说明

图1为欠驱动多杆水平振动系统的机构简图

图2为锅槽沿y方向的运动速度曲线图

图3为本发明的结构示意图；

图4为欠驱动多杆水平振动系统的结构示意图；

图5为振幅实时调节系统的结构示意图；

图6为锅槽垂直角度实时调节系统的结构示意图；

图7为锅槽振动方向调节结构的结构示意图；

图8为炉锅一体化锅槽的结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图3所示，一种欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，其特征在于：包括机架1、床身2和用于实现茶叶连续振动理条的欠驱动多杆水平振动系统3、用于为适应不同种类和采摘时期的茶叶在振动理条过程中振幅调节的振幅实时调节系统4、用于控制茶叶振动理条时间的锅槽垂直角度实时调节系统5、用于改变茶叶在锅槽中运动轨迹，以提高茶叶理条质量的锅槽振动方向调节结构6、用于提高能源利用率的炉锅一体化锅槽7；用于茶叶流量控制的动态流量秤重系统8；用于通过对加热温度、振动频率和振幅的调节，实现茶叶连续振动理条智能化加工的茶叶连续振动理条智能化控制系统9；所述的欠驱动多杆水平振动系统3，振幅实时调节系统4，锅槽振动方向调节系统6，炉锅一体化锅槽7，安装在床身上，动态流量秤重系统8安装在机架1上，床身2和机架1通过锅槽垂直角度实时调节系统5相连；欠驱动多杆水平振动系统3驱动的炉锅一体化锅槽7在往复振动过程中，炉锅一体化锅槽7的正向运动与反向运动速度极值不同。

所述的欠驱动多杆水平振动系统3如图4所示，包括曲轴10、摇杆11、T型中心滑块12、T型移动滑块13及炉锅一体化锅槽7和圆柱滚动导轨副14，其中曲轴10垂直安装于床身2上，其中一端与驱动电机通过带传动实现动力传递，另一端通过轴承与水平布置的摇杆11一端端部连接；T型中心滑块12在摇杆11的中部，其垂直脚通过轴承固定于轴套内，轴套相对曲轴10中心距可调节；T型移动滑块套装13在摇杆11的另一端，其垂直脚通过轴承与锅槽架25连接；锅槽架25的四角配有轴承座15，与圆柱滚动导轨副14连接。电机带动曲轴10转动，曲轴10带动摇杆11在绕T型中心滑块12垂直轴往复摆动，通过位于摇杆11端部的T型移动滑块13带动锅槽架25沿圆柱滚动导轨副14确定的运动方向往复振动，同时，有曲轴10运动产生的摇杆11在T型中心滑块12和T型移动滑块13内沿自身轴线轴向往复运动，不影响锅槽架25的运动。

所述的振幅实时调节系统4如图5所示，包括轴承座15、固定板16、滑动板17、连杆18、电动缸19和支座20，其中T型中心滑块12的垂直脚通过轴承与轴承座15连接，轴承座15安装在滑动导轨副上，滑动导轨副主要由固定板16和滑动板17组成，滑动导轨副中的滑动板17通过连杆18与电动缸19的动力输出端连接，滑动导轨副的固定板16及电动缸19固定端与机架1连接。振幅实时调节系统沿摇杆11方向距离曲轴10轴线一定距离安装在床身2上，电动缸19通过连杆18驱动装有T型中心滑块12的滑动板17沿滑动导轨副安装确定的方向运动，从而改变了T型中心滑块12与曲轴10的中心距，在曲轴10偏心量不变的情况下，通过摇杆11摆动角度的增减，改变了锅槽架25沿圆柱滚动导轨运动的振幅。

所述的锅槽水平角度实时调节系统5如图6所示，包括机架1、床身2、第一连接板21，第二连接板22，电动缸23以及支座24，其中第一连接板21和第二连接板22的一端，以及电动缸23的动力输出端通过铰链轴滑动连接，第一连接板21的另一端通过铰链轴和床身2的一端连接，床身2的另一端通过轴套和铰链轴与机架1连接，第二连接板22的另一端通过铰链轴和支座24与机架1连接，电动缸23的另一端通过支座24与床身2连接，当电动缸23运动时，第一连接板21和第二连接板22之间的夹角发生变化，由于第二连接板22一端位置固定，第一连接板21带动床身2转动，从而实现安装在床身2上的锅槽29实现水平角度的调节。

所述的锅槽振动方向调节结构6如图7所示，包括炉锅一体化锅槽7和圆柱滚动导轨副14，可根据做茶工艺需要确定炉锅一体化锅槽7振动方向与茶叶流动方向的夹角，并据此安装欠驱动多杆水平振动系统3中的圆周滚动导轨副14，以此来调整锅槽29的振动方向。

所述的炉锅一体化锅槽7如图8，包括锅槽架25、隔热层26、电热管支架27、电热管28、锅槽29，防挂茶杆30，横梁31，第一销轴32和第二销轴33，其中锅槽架25采用成型后的钢板焊接而成，锅槽29由与锅槽架25焊接连接的电热管支架27支撑，锅槽架25上装有三根横梁31，两端横梁31上焊有第一销轴32，中间横梁31上焊有第二销轴33，第一销轴32和第二销轴33分别插入锅槽29顶部的防挂茶杆30孔中，实现锅槽29的安装定位，同时既可保证锅槽29在加热过程中由于热胀冷缩引起的轴向位移，又可对锅槽29在加热过程中横向变形进行约束；除锅槽29外，锅槽架25和锅槽29之间的空间铺设有隔热层26，电热管28被固定在电热管支架27中间，与锅槽29底面及隔热层26保持一定的距离，其中隔热层26表面为镜面不锈钢板，中间为石棉板，底面为铝板。炉锅一体化锅槽7分别与欠驱动多杆水平振动系统3中的T型移动滑块13和锅槽振动方向调节结构6中的圆柱滚动导轨副14相连，通过欠驱动多杆水平振动系统3实现振动运动，其振动方向由锅槽振动方向调节结构6确定。

有别于现有茶叶理条机常采用的驱动装置，本发明驱动装置采用欠驱动多杆水平振动系统。现有技术下的茶叶理条机驱动装置多为曲柄连杆机构。电机先经过带轮降速后，再由曲柄连杆机构驱动多锅槽左右振动。这种结构的优点是装置简单且成本低，缺点是不同季节和茶类的茶叶理条加工，其茶叶本身的物理性能和加工要求不同，在茶叶加工过程中，虽然振动频率可以调节，但由于曲柄半径固定，振幅不能根据需要调节，使得现有技术下的茶叶理条机对茶叶加工的适应性欠佳；由于现有技术下的理条机所采用的曲柄连杆机构，锅槽在进行X-Y平面振动的同时，在Z方向上存在大小及方向与曲柄运动相位角相关的变动力，而运动导轨副在Z方向上没有进行约束，导致锅槽上下跳动，不利于理条的质量；又由于连续理条机锅槽长度较长，现有技术下的理条机结构上往往采用双曲柄连杆机构进行驱动，提高了加工和装配的精度和难度，导致设备的可靠性较差；由于为减轻振动质量，采用加热炉固定，锅槽振动的结构，使得锅槽之间无法进行可靠的密封，能源利用率较低，而欠驱动多杆水平振动系统可以很好的解决这些问题。

进一步，欠驱动多杆水平振动系统的机构简图如图1所示。

通过对图1的理论分析，可以得到采用欠驱动多杆水平振动系统驱动的锅槽A其往复运动的位移方程(沿y轴方向)为：

式(1)中的L₀为曲轴偏心轴端中心线至曲轴中心线的距离；L₁为振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离；R为曲轴偏心距；ω为曲轴转速。

根据锅槽往复运动的位移方程求其导数，可以得到在采用欠驱动多杆水平振动系统驱动下的锅槽速度方程为：

根据式(2)可以得到锅槽沿y方向的运动速度曲线，如图2所示。

通过图2可以发现，锅槽在往复运动过程中，正向运动的速度极值大于反向运动的速度极值，正向运动和反向运动速度的不一致导致当锅槽正方向运动时，锅槽内茶叶获得较大的正向旋转能量；当锅槽反方向运动时，锅槽内茶叶获得较小的反向旋转能量，与现有技术的曲柄连杆机构驱动的锅槽相比，在锅槽内的茶叶始终能保持较高的旋转速度，这有利于使茶叶搓的更为紧实，有利于茶叶理条质量的提高。

振幅实时调节系统沿摇杆方向距离曲轴轴线一定距离安装在床身上，电动缸通过连杆驱动装有T型中心滑块的滑动板沿滑动导轨副安装确定的方向运动，从而改变了T型中心滑块与曲轴的中心距，在曲轴偏心量不变的情况下，通过摇杆摆动角度的增减，改变了锅槽架沿圆柱滚动导轨运动的振幅。

进一步，由式(1)可以得到，有四种因素能够影响锅槽的振幅，分别为曲轴偏心轴端中心线至曲轴中心线的距离L₀、振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离L₁、曲轴偏心距R、曲轴转速ω。振幅实时调节系统就是通过调节振幅实时调节系统中轴承的中心线至曲轴偏心轴端中心线的距离L₁来改变锅槽的振幅，L₁增大，锅槽振幅变大；反之，L₁减小，锅槽振幅变小。实现锅槽振幅的可调节化，一是为了满足发明所述的理条机在加工茶叶时，能够通过改变振幅，提高理条质量；二是为了满足发明所述的理条机实现对不同种类茶叶的加工。

进一步，所述的锅槽垂直角度实时调节系统的目的是为了通过调节锅槽的垂直角度，来控制茶叶从下料、理条、出料全过程的总时间。茶叶在理条机中进行理条的时间一定程度上决定了茶叶的理条品质，理条总时间太短则茶叶还未完成搓的过程，加工的茶叶不够紧实，同时脱水不够，难以得到好的理条质量；理条时间太长则会使茶叶含水率过低，为后道工序的加工带来困难，同时产量降低。因此所述的锅槽垂直角度实时调节系统，能够控制茶叶理条的时间，使茶叶的理条效果和产量的最优化。

所述的锅槽振动方向调节结构为可根据做茶工艺需要确定炉锅一体化锅槽振动方向与茶叶流动方向的夹角，并据此安装欠驱动多杆水平振动系统中的圆周滚动导轨副，使茶叶运动轨迹截面大于锅槽横截面，在保证茶叶加工质量的前提下，可增加锅槽数，提高产量。

进一步，所述的锅槽振动方向调节结构的目的是茶叶的流动方向为锅槽方向，而茶叶的振动方向为锅槽的运动方向，现有技术由于结构的原因，茶叶流动方向和锅槽运动方向垂直，茶叶的运动截面宽度W_y等于锅槽宽度W，本发明的锅槽的运动方向由驱动多杆水平振动系统中的圆周滚动导轨副安装方向确定，振动运动可在与茶叶运动垂直方向±10°内实现，在锅槽水平处于状态时进行茶叶加工，茶叶呈螺旋状向前运动，振动方向与茶叶流动垂直方向偏角为α，茶叶的运动截面宽度W_y＝W/cosα>W，对于茶叶理条加工而言，茶叶运动截面宽度基本为定值，在相同设备宽度条件下，本发明可以在保证茶叶运动截面宽度前提下增加锅槽数，从而增加产量。

所述的动态流量秤重系统，用于茶叶理条过程中的流量控制。所述动态流量秤系统由匀叶装置和动态流量称组成。所述的动态流量秤重系统与茶叶理条机的智能化控制系统相连接，通过控制系统可以设定、调节理条过程中的茶叶实时流量，达到流量可调、流量精确稳定的目的，从而提高茶叶的生产质量。

所述的智能化控制系统，通过内置的智能控制模型，在茶叶流量波动时，对加热温度、振动频率和振幅进行实时调节，从而使茶叶生产质量达到稳定的目的。

进一步，一方面由于理条机难以用精确的数学模型来进行描述，因此不能采用传统的控制方法进行控制，另一方面，理条机的多种控制参数，如茶叶输入流量、理条机的振动频率、振幅以及加热的温度等，大多是非线性参数且相互耦合。在当前的茶叶生产中，由于茶叶在输送过程中容易形成堆积状，虽然有匀料装置和前置的动态流量称对流量进行控制，仍然难以达到精确定量，尤其是在连续生产线中，当茶叶流量发生波动时，也是根据操作人员的经验对各种参数进行调整。本专利采用模糊控制和人工神经网络相结合的模糊神经推理的思想，利用T-S模型，对理条机中的多种控制参数进行调整，从而达到良好的动态效果。

控制模型的输入为茶叶流量偏差Δq和当前加热温度T，其中：

Δq＝q_设-q (3)

式中Δq是茶叶流量偏差，q_设是设定流量，q是动态流量称返回的实际流量。

控制模型的输出为温度调整量ΔT、振动频率调整量Δf和振动幅度调整量Δa。

控制模型为：

(ΔT,Δf,Δa)＝fuzzynet(Δq,T) (4)

这是一个二输入三输出的控制模型。根据生产经验，输入变量(茶叶流量偏差Δq和当前加热温度T)的范围定义为[-5，5]，同时定义4个隶属度函数：负大NB([-5，-3])，负小NS([-2，-0])，正小PS([0，2])，正大PB([3，5])；输出变量(温度调整量ΔT、振动频率调整量Δf和振动幅度调整量Δa)的范围定义为[-10，10]，同时定义6个隶属度函数：负大NB([-10，-5])，负中NM([-6，-1.5])，负小NS([-3，-0])，正小PS([+0，3])，正中PM([1.5，6])，正大PB([5，10])。

推理规则如下：

If Δq_i＝A_j and T_i＝B_k

Then y_m1＝p_m1×Δq_i+q_m1×T_i+s_m1， (5)

y_m2＝p_m2×Δq_i+q_m2×T_i+s_m2，

y_m3＝p_m3×Δq_i+q_m3×T_i+s_m3，

式(5)中A_j、B_k(j＝1,2,3,4；k＝1,2,3,4；i＝1,2,3,4,5,6)分别是茶叶流量偏差Δq、当前加热温度T的一个模糊子集，而p_m、q_m、s_m为第m条规则的后项参数。y_m是第m条规则的输出。

解模糊算法采用加权平均法：

式(6)中，z是清晰值，u_c(z_i)是隶属度值z_i的模糊区间。

模型训练混合使用最小二乘预测和反向传播算法。

进一步，理条机的智能化控制系统设有通信接口，可作为茶叶自动化生产线的一个智能加工单元，接入茶叶自动化生产线的主控制系统，实现茶叶生产的全程连续化。

所述的振幅实时调节系统的振幅调节范围为40-80毫米；所述的锅槽垂直角度实时调节系统的调节范围为0-5°；所述的锅槽振动方向调节结构的调节范围为垂直于茶叶流动方向±10°

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (4)

1.欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，其特征在于：包括机架、床身和用于实现茶叶连续振动理条的欠驱动多杆水平振动系统、用于为适应不同种类和采摘时期的茶叶在振动理条过程中振幅调节的振幅实时调节系统、用于控制茶叶振动理条时间的锅槽垂直角度实时调节系统、用于改变茶叶在锅槽中运动轨迹，以提高茶叶理条质量的锅槽振动方向调节结构、用于提高能源利用率的炉锅一体化锅槽；用于茶叶流量控制的动态流量秤重系统；用于通过对加热温度、振动频率和振幅的调节，实现茶叶连续振动理条智能化加工的茶叶连续振动理条智能化控制系统；所述的欠驱动多杆水平振动系统，振幅实时调节系统，锅槽振动方向调节系统，炉锅一体化锅槽，安装在床身上，动态流量秤重系统安装在机架上，床身和机架通过锅槽垂直角度实时调节系统相连；欠驱动多杆水平振动系统驱动的炉锅一体化锅槽在往复振动过程中，锅槽正向运动与反向运动速度极值不同；

所述的欠驱动多杆水平振动系统由曲轴、摇杆、T型中心滑套、T型移动滑块及炉锅一体化锅槽和圆柱滚动导轨副组成，其中曲轴垂直安装于床身上，其中一端与驱动电机通过带传动实现动力传递，另一端通过轴承与水平布置的摇杆一端端部连接；T型中心滑套套装在摇杆的中部，其垂直轴安装于轴承座内，轴承座与曲轴的中心距可调节；T型移动滑块套装在摇杆的另一端，其垂直轴通过轴承与锅槽架连接；锅槽架的四角配有轴承座，与圆柱滚动导轨副连接；电机带动曲轴转动，曲轴带动摇杆在绕T型中心滑套垂直轴往复摆动，通过位于摇杆端部的T型移动滑块带动锅槽架沿圆柱滚动导轨副确定的运动方向往复振动，同时，曲轴运动产生的摇杆在T型中心滑套和T型移动滑块内沿自身轴线轴向往复运动，不影响锅槽架的运动；

所述的振幅实时调节系统由轴承座、滑动导轨副、连杆和电动缸组成，其中T型中心滑套的垂直轴安装于轴承座内，轴承座安装在滑动导轨副上，滑动导轨副中的滑动板通过连杆与电动缸的动力输出端连接，滑动导轨副的固定板及电动缸固定端与机架连接；振幅实时调节系统沿摇杆方向距离曲轴轴线一定距离安装在床身上，电动缸通过连杆驱动装有T型中心滑套的滑动板沿滑动导轨副安装确定的方向运动，在曲轴偏心量不变的情况下，改变T型中心滑套垂直轴与曲轴的中心距，对摇杆摆动角度进行调节，从而改变锅槽架沿圆柱滚动导轨运动的振幅；

所述的锅槽垂直角度实时调节系统由机架、床身、第一连接板，第二连接板,铰链轴、支座以及电动缸组成，其中第一连接板和第二连接板的一端，以及电动缸的动力输出端通过铰链轴滑动连接，第一连接板的另一端通过铰链轴和床身的一端连接，床身的另一端通过轴套和铰链轴与机架连接，第二连接板的另一端通过铰链轴和支座与机架连接，电动缸的另一端通过支座与床身连接，当电动缸运动时，第一连接板和第二连接板之间的夹角发生变化，由于第二连接板一端位置固定，第一连接板带动床身绕床身和机架连接点转动，从而实现安装在床身上的锅槽实现水平角度的调节；

所述的锅槽振动方向调节结构为可根据做茶工艺需要确定炉锅一体化锅槽振动方向与茶叶流动方向的夹角安装欠驱动多杆水平振动系统中的圆周滚动导轨副；

所述的炉锅一体化锅槽由通过轻量化设计的锅槽架、隔热层、电热管支架、电热管、锅槽、横梁组成，其中锅槽架采用成型后的钢板焊接而成，锅槽由与锅槽架焊接连接的电热管支架支撑，安装在锅槽架中间，锅槽架上装有三根横梁，两端横梁上焊有第一销轴，中间横梁上焊有第二销轴，第一销轴和第二销轴分别插入锅槽顶部的防挂茶杆孔中，实现锅槽的安装定位，同时既可保证锅槽在加热过程中由于热胀冷缩引起的轴向位移，又可对锅槽在加热过程中横向变形进行约束；除锅槽外，锅槽架和锅槽之间的空间铺设有隔热层，电热管被固定在电热管支架中间，与锅槽底面及隔热层保持一定的距离，其中隔热层表面为镜面不锈钢板，中间为石棉板，底面为铝板，利用镜面不锈钢热反射的特点，将电热管背向锅槽部分的热能反射到锅槽上，利用不锈钢导热性能差和石棉板的隔热性能，减少热量的外泄，以提高能源的利用率；利用铝板重量轻，刚度好的特点，保证隔热层的刚度；

所述的动态流量秤重系统由匀叶装置和动态流量称组成；所述的动态流量秤重系统安装于机架前方，并与茶叶理条机的智能化控制系统相连接，通过控制系统可以设定、调节理条过程中的茶叶实时流量，达到流量可调、流量精确稳定的目的。

2.如权利要求1所述的欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，其特征在于：所述的炉锅一体化锅槽在欠驱动多杆水平振动系统驱动下，其往复运动速度方程为：

<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>R</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>&amp;omega;</mi> </mrow> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mi> </mi> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式(1)中的L₁为曲轴轴线至振幅实时调节系统中轴承座轴线的距离；L₀为曲轴轴线至T型移动滑块的距离；R为曲轴偏心距；

锅槽在往复运动过程中，正向运动的速度极值大于反向运动的速度极值，正向运动和反向运动速度的不一致导致当锅槽正方向运动时，锅内茶叶获得较大的正向旋转能量；当锅槽反方向运动时，锅内茶叶获得较小的反向旋转能量，这使得茶叶搓的更为紧实，有利于茶叶理条质量的提高；锅槽正向运动速度极值和锅槽反向运动速度极值比方程为：

<mrow> <mo>|</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>max</mi> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mi>min</mi> </msub> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <mi>R</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

根据式(2)，通过改变曲轴轴线至T型移动滑块的距离L₀和曲轴偏心距R，可以改变锅槽正向运动速度与锅槽反向运动速度极值比。

3.如权利要求2所述的欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，其特征在于：所述的智能化控制系统，通过内置的智能控制模型，在茶叶流量波动时，对加热温度、振动频率和振幅进行实时调节，从而使茶叶生产质量达到稳定的目的；

内置的智能控制模型采用模糊控制和人工神经网络相结合的模糊神经推理的思想，利用T-S模型，对理条机中的多种控制参数进行调整，控制模型为：

(ΔT,Δf,Δa)＝fuzzynet(Δq,T) (3)

理条机的智能化控制系统设有通信接口，作为茶叶自动化生产线的一个智能加工单元，接入茶叶自动化生产线的主控制系统，实现茶叶生产的全程连续化。

4.如权利要求3所述的欠驱动多杆式智能化茶叶连续振动理条机，其特征在于：所述的振幅实时调节系统的振幅调节范围为40-80毫米；所述的锅槽垂直角度实时调节系统的调节范围为0-5°；所述的锅槽振动方向调节结构的调节范围为垂直于茶叶流动方向±10°。